《智能彩灯》课堂教学及心得体会

 

2014年6月10日至6月12日，浙江省中小学信息技术疑难问题解决专题研训活动在温州市九山湖畔的温州市籀园小学和温州市第四中学举行，旨在明确浙江省义务教育信息技术课程标准、学业质量标准研究等在实际课堂中的实施情况。在浙江省教研员魏雄鹰老师、温州市教研员蒋莘老师和温州中学谢作如老师的支持与鼓励下，我十分幸运地开出了一节关于Arduino开源机器人的公开课《智能彩灯》。

一、问题描述

随着现代科技的发展，机器人教学也逐渐地进入了中小学信息技术的课堂。然而大部分人（包括学生、教师）对机器人的认识却只停留在表层，认为只有带轮子的、会动的、有机械臂的才算是机器人；其实生活中有许许多多机器人的应用，如：ATM取款机、交通红绿灯、超市的自动门等。而对LED灯的控制则是机器人最为常见的一种生活应用，也是机器人入门学习的一般途径，故初步确定本节机器人公开课的主题为：智能彩灯——全彩LED灯光色彩的调制。

 

二、方案设计

方案一：

基础任务：利用Word软件获取颜色RGB值，用数值控制全彩LED灯的灯光色彩；进阶任务：利用电位器控制全彩LED灯光色彩，电位器数量为：1~3个。

方案二：

基础任务：利用Word软件获取颜色RGB值，用数值的设置调制全彩LED灯光色彩；进阶任务：制作创意小台灯。

方案三：

基础任务：利用一个电位器调制全彩LED灯光色彩；进阶任务：制作创意小台灯。

根据学情分析，学生虽然是第二节课接触Arduino，但在Arduino机器人方面仍然是零基础状态。再结合40分钟的课堂环节的预设、机器人教学内容的难易情况分析，最终确定了本节课的教学内容为方案一：基础任务——利用Word软件获取颜色RGB值，用数值控制全彩LED灯光色彩，进阶任务——利用电位器控制全彩LED灯光色彩。

三、RGB三原色原理

1、  三原色原理：

利用红色（R）、绿色（G）、蓝色（B）三种颜色的不同浓度的混合可以调制出各种色彩，其中RGB三色值的范围：0~255。

2、  获取颜色的RGB值：

在Word软件的“字体颜色”工具的“颜色”对话框中的“自定义”选项卡下，可以任意选择喜欢的颜色，同时可以获得该颜色的RGB值，如图所示。

http://s6/mw690/002ovLlIgy6JRcA9OiV95&690
 

四、硬件搭建

1、  全彩LED灯模块

本节课所用到的全彩LED灯模块是由红、绿、蓝三个单色LED灯共阳极（5伏电压）组合而成的，该模块的三种颜色信号输出范围是0~255，可以通过PWM端口控制三种颜色信号的变化得到多种灯光色彩（也可通过高低电平控制其中三个单色LED的亮灭）。

2、  电位器

课堂任务中所涉及的电位器是采用奥松公司的Arduino旋转角度传感器，输入信号为模拟信号：0~1023，可调角度为：0~300度，接口为：S、+、-。

3、  硬件连接

1）  通过USB数据线，连接ArduinoUno控制器与计算机。

2）  将全彩LED灯模块连接到ArduinoUno控制器板的PWM端口上，记录LED灯颜色信号针脚所连接的PWM端口的编号（3、5、6、9、10、11），如：11号（R针脚）、10号（B针脚）、9号（G针脚）端口，V则接正极：Vcc。

3）  将电位器模块连接到ArduinoUno控制器板的模拟端口上，记录电位器所连接的模拟端口编号（0、1、2、3、4、5、6、7），如：7号、6号、5号模拟端口（以3个电位器为例）。

 

五、程序编写

完成硬件的搭建之后，通过程序的编写就可控制全彩LED灯光色彩的调制了。Arduino机器人可采用图形化的编程环境Ardublock。

基础任务——用数值控制全彩LED灯参考程序如下：

http://s14/bmiddle/002ovLlIgy6JRcEs2iV7d&690

 

进阶任务——用电位器控制全彩LED灯参考程序如下（以3个电位器控制3种颜色为例）：

http://s4/bmiddle/002ovLlIgy6JRcFZ1Mna3&690

 

六、拓展应用

根据“7E学习模式”，所有的学习材料都可以被组织成一个“7E”概念框架，分别是：激励（Excite）、探索（Explore）、解释（Explain）、扩充（Expand）、延伸（Extend）、交流（Exchange）、测验（Examine）。

学生通过本节课的学习与动手，已经掌握了用数值和电位器控制全彩LED灯光色彩；可以在本节课的基础上，引导学生进行知识迁移和延伸，发挥想象和创意利用不同传感器 的结合使用，来控制全彩LED灯光色彩。例如：结合电位器、光敏传感器、温度传感器、声控传感器等实现全彩LED灯光色彩的控制，既是对学生创意的锻炼，又可引导学生主动接触更多的传感器，为各种传感器及输出模块的综合应用做好铺垫。

 

七、教学实践

(一)   激发兴趣，导入新课

教师：在同学们眼里，机器人应该是和变形金刚里的擎天柱一样（图）。

其实，机器人也可以这样（图，工业机器人）。

能自动执行工作任务的机器装置，都可以称为机器人。

我们上课用的机器人是小车样子的（展示实物）。

机器人可以划分为3个部分：输入装置、输出装置和控制系统（课件、图）。LED灯是最常见的输出装置。

【灯光变色视频导入】

教师：上节课，我们已经学会了呼吸灯的制作，这节课让我们继续进行研究；请大家观看一个LED灯的视频。（播放YeeLight视频）

教师：视频中的灯有什么变化？

小组讨论一下：可以用上节课学的LED灯显示多种颜色吗？(引导：若提供的单色LED灯不止一个，而是红绿蓝三个不同颜色的LED灯呢？)

教师：（引导：将红色、蓝色、绿色三种颜色混合就可以产生其他颜色，就是我们常说的RGB三原色原理。）现在就让我们具体地认识一下“RGB三原色原理”。

 

(二)   讲解新知，操作演练

【RGB三原色原理】

教师：科学发现，所有的颜色都可以通过红、绿、蓝的不同比例混合得到，这就是RGB三原色原理。

（播放PPT/教师讲述——调色案例）

1、颜料混合图片（引导：美术中的，颜色调制）

2、RGB三原色中，红、蓝、绿颜色值的范围都为：0~255。

 

【全彩LED灯的工作原理】

教师：那么进一步地认识RGB三原色原理后，可想而知：视频中的LED灯是利用红色、绿色、蓝色三盏单色LED组合而成的，这种LED叫做全彩LED。今天，老师也为大家带来了一盏全彩LED。（实物展示全彩LED灯模块）

一盏全彩LED灯所包含的红色（Red）、蓝色（Blue）、绿色（Green）单色灯，与全彩LED灯的R、B、G针脚相对应。（PPT播放——全彩LED灯的结构简介）

 

 

 

教师：RGB三原色值与LED灯亮度值范围一致。

【重点提示】这一款全彩LED的R、B、G针脚值与RGB三原色的R、B、G值相反。 

 

【抛出疑问1】

教师：如何利用全彩LED灯显示出你喜欢的灯光色彩呢？

首先，必须获取喜欢颜色的RGB值。

【提示】颜色RGB值的获取方法

1）打开WORD软件

2）在“开始”菜单中，选择“字体颜色”选项卡中的“其他颜色”。

3）在弹出的对话框中，选择“自定义”选项卡。

4）拖动光标与滑块，选择一种喜欢的颜色，获取该颜色的RGB值。

5）记录该颜色RGB值，并计算对应的R、B、G针脚值。

 

教师：演示连接全彩LED灯与Arduino主板

1）用“红线”连接LED灯V针脚与Arduino主板数字针脚中的一个正极针脚。

2）用“红线”连接LED灯R针脚与Arduino主板PWM端口的S针脚，如：9号针脚S极。

3）用“蓝线”连接LED灯B针脚与Arduino主板PWM端口的S针脚，如：6号针脚S极。

4）用“绿线”连接LED灯G针脚与Arduino主板PWM端口的S针脚，如：5号针脚S极。

 

【提示】记录连接的针脚编号。

 

教师：演示在全彩LED灯中显示该颜色

1）打开arduino编程软件的Ardublock可视化编程界面。

2）从“引脚”选项卡中拖拽出3个“设定模拟针脚值”，设置对应的端口号。

3）设置R、B、G针脚对应的模拟值为该颜色对应的“RGB”值。

4）选择正确的串口号，下载程序。

5）展示全彩LED灯效果。

 

【任务1——显示你喜欢的颜色】

教师：播放PPT任务1

任务1内容：利用Word软件获取喜欢的颜色的RGB值，并用LED灯显示出来。

任务时限：5分钟

温馨提示：如遇问题，可以参考帮助文档。

 

【任务1作品展示——师生互动】

教师：大家举起LED，相互展示一下。

 

【引入电位器控制灯光色彩】

教师：如何让LED灯色彩变换更加智能？（引导：比如，上节课怎么控制灯光亮度？）

 

教师：全彩LED灯RGB针脚的数值范围为：255~0，而电位器的数值范围为：0~1023。那么，电位器如何来控制LED灯呢？（演示电位计与“映射”的编程） 

 

【任务2——旋出来的颜色】

教师：播放PPT——任务2

任务内容：利用电位器旋出你喜欢的颜色。

任务时限：5分钟

 

(三)   展示作品，评价总结

【展示作品】

教师：任务的挑战时间已经结束，我们一起来欣赏下几个小组的灯光作品。看到你们的灯光作品用了3个电位器（或1个电位器），可否给我们演示一下你们是怎么编程并调制出这种颜色呢？

【课堂总结】

教师：本节课，我们学习了用数值和电位器调制全彩LED灯光色彩。

还有其他方式来控制LED的色彩吗？

我们还可以用声音、温度、光线等信号来控制LED灯光的变化。

 

 

八、教学反思

本节课《智能彩灯》的设置为机器人课程的第二课，意在为学生呈现直观的全彩LED灯光色彩的控制，消除对机器人的片面认识和对机器人编程的恐惧心理。从学生掌握的角度去看，几乎所有的学生都已经掌握了全彩LED灯的控制使用——调制出自己喜欢的灯光色彩；虽然部分学生比较安静、不活跃，但从学生课堂的具体行为上分析，他们对本节课是十分感兴趣的，甚至有学生敢于自主地探索、尝试全彩LED灯与电位器的结合使用。学生的探究精神、动手能力的培养与锻炼正是机器人课程开设的初衷，而学生的兴趣则是探究精神、动手能力培养的前提，个人认为本节课基本上成功地激发了学生的学习兴趣。

但课堂还有许多问题与不足，此教学设计共在两个班级中进行上课实施，然而两个班级的课堂教学情况却截然相反。两个班级的学生在平时课堂中都很活跃，且都积极参与课堂学习活动；但是在公开课的过程中，却只有一个班级的学生十分地活跃，而另一个班级的学生却是十分地安静、沉闷，甚至不敢大声说话。分析其原因，两个班级的学生水平都相差不大，唯一的不同是两个班级学生的位置排列与听课老师的就坐位置。

一班学生是竖排就坐的与平时上课相同，学生自然地适应该上课环节，同时听课老师基本就坐于后排对学生的影响不大。二班学生的就坐位置是六角形桌子，同时听课老师比较多且都分布于每组学生周围，学生很拘谨且难以自由地开展小组的合作讨论活动；因此相对一班的学生，二班学生在上课中的反馈与互动环节相对减少了很多，进而对课堂的教学进度产生了一定的影响。

为此，针对这些问题，从以下方面进行反思：

1、  面对不同活跃程度的班级，及时对教学方案进行调整

上课过程中，多多预备几个教学方案，根据课堂的实际情况进行灵活的调整。

1）、任务的难度：根据课堂学生的实际接受情况，及时地调整课堂任务的难易度。

2）、任务的数量：根据学生完成任务的进度，适当地增减课堂任务的数量。

2、 活跃学生课堂讨论的氛围

1）、可以加入到他们的讨论中去，引导、带动他们去讨论，活跃课堂讨论气氛。

2）、面对学生起身发表个人观点或小组讨论结果时，教师可以提供几个方面的思路让学生去表述。

3、学习应该是轻松的、愉快的，如何让学生保持一种轻松的心理状态呢？（值得继续思考）